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    一種多孔性製氫材料，其組成包括一纖維載體、一製氫劑以及一熱熔劑。纖維載體包括多條彼此堆疊在一起的纖維。纖維之間具有多個孔隙。製氫劑分散於纖維載體之纖維上。熱熔劑將纖維載體之纖維以及製氫劑黏著在一起。
    公开号:TW201323323A
    申请号:TW100146505
    申请日:2011-12-15
    公开日:2013-06-16
    发明作者:Chung-Feng Dai；Yuan-Pei Liao；Ming-Chih Kuo；Chao-Chun Peng
    申请人:Taiwan Textile Res Inst；
    IPC主号:Y02E60-00
    专利说明:
    多孔性製氫材料及其製造方法
    本發明是有關於一種多孔性製氫材料及其製造方法，且特別是有關於一種親水性佳且製作流程簡便的多孔性製氫材料及其製造方法。
    一般來說，燃料電池利用氫氣來製造電力，唯一會產生的副產品只有無污染的水和熱氣，正因如此，被許多人視為能夠取代石油的能源。再者，氫能源因其潔淨性與可儲存性讓先進國家基於能源安全與環境永續發展而積極投入。目前氫能源的利用主要是透過燃料電池裝置來使化學能變成電能，其應用涵蓋分散式發電系統、運輸載具與可攜式3C產品。然而，燃料電池距離商業化仍有一段距離，主因來自於氫氣的儲存與供應以及燃料電池的成本仍無法符合商業化的需求。
    承上述，為了能夠供應氫氣以作用燃料電池的原料，氫氣的製造便成為非常重要的課題。目前來說，已經有許多有關製氫材料的研究以及開發，其中有很多製氫材料會使用水作為氫氣的製造來源。一般來說，製氫材料包括載體、製氫劑以及觸媒，將水加入製氫材料後，觸媒會進行催化以產生氫氣。然而，現有的載體通常是選自粉體結構，而粉體結構緻密會造成製氫材料的滲水性不佳，且使得產氫效率下降。另外，一般的粉體結構會在產氫的過程中容易崩解，而使得載體中的觸媒不易回收再利用，造成製造的成本增加。
    本發明提供一種多孔性製氫材料，其包括由纖維組成的多孔性載體，因而具有良好的親水性以及堅固的多孔性結構。
    本發明再提供一種多孔性製氫材料的製造方法，其具有簡便的製造流程。
    本發明提出一種多孔性製氫材料，其包括一纖維載體、一製氫劑以及一熱熔劑。纖維載體包括多條彼此堆疊在一起的纖維，且纖維之間具有多個孔隙。製氫劑分散於纖維載體之纖維上。熱熔劑將纖維載體之纖維以及製氫劑黏著在一起。
    在本發明之一實施例中，上述之纖維載體包括離子型纖維載體。
    在本發明之一實施例中，上述之離子型纖維載體包括一天然水溶性聚合物載體、一改質天然聚合物載體或一合成聚合物載體。
    在本發明之一實施例中，上述之製氫劑包括NaBH4、NH3BH3、MgH2或C10H18。
    在本發明之一實施例中，上述之熱熔劑包括聚乙烯(PE)、乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)、聚胺基甲酸酯(TPU)或聚氨酯(PET)。
    在本發明之一實施例中，上述之纖維載體、製氫劑以及熱熔劑的重量比例為1.5：4：1.5。
    本發明再提出一種多孔性製氫材料的製造方法，其包括下述步驟。提供一纖維載體、一製氫劑以及一熱熔劑。將纖維載體、製氫劑以及熱熔劑均勻混合以形成一混合材料。將混合材料進行一熱處理程序以形成多孔性製氫材料。
    在本發明之一實施例中，上述纖維載體的製造方法包括下述步驟。製備一纖維溶液。製備一含鈷凝固浴。將纖維溶液放入一紡絲裝置中以進行一紡織程序，其中紡織裝置將纖維溶液擠入至含鈷凝固浴中以機械抽絲方式形成長纖維。
    在本發明之一實施例中，上述之纖維溶液包括離子型纖維溶液。
    在本發明之一實施例中，上述之離子型纖維溶液包括一天然水溶性聚合物溶液、一改質天然聚合物溶液或是一合成聚合物溶液。
    在本發明之一實施例中，上述之天然水溶性聚合物溶液包括纖維素溶液、澱粉溶液、殼聚糖甲殼素溶液或海藻酸鈉溶液。上述之改質天然聚合物溶液包括改質澱粉溶液以及改質纖維素溶液，其中改質澱粉溶液包括羧甲基澱粉溶液或醋酸澱粉溶液，改質纖維素溶液包括羥甲基纖維素溶液或羧甲基纖維素溶液。上述之合成聚合物溶液包括具有陰離子基團的聚合類樹脂溶液或縮合類樹脂溶液，其中陰離子基團包括羧酸基、磺酸基、磷酸基或硫酸基。
    在本發明之一實施例中，上述之纖維溶液的濃度為2%~5%重量百分比。
    在本發明之一實施例中，上述之含鈷凝固浴包括氯化鈷凝固浴。
    在本發明之一實施例中，上述之含鈷凝固浴的濃度為5%~55%重量百分比(室溫下飽和濃度)，較佳的是，上述之含鈷凝固浴的濃度較佳為10%~25%。
    在本發明之一實施例中，上述之製氫劑包括NaBH4、NH3BH3、MgH2或C10H18。
    在本發明之一實施例中，上述之熱熔劑包括聚乙烯(PE)、乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)、聚胺基甲酸酯(TPU)或聚氨酯(PET)。
    在本發明之一實施例中，上述之熱處理程序包括下述步驟。將混合材料放置於一模具中。進行一壓模程序。進行一加熱定型程序。
    在本發明之一實施例中，上述之纖維載體、製氫劑以及熱熔劑的重量比例為1.5：4：1.5。
    基於上述，本發明之多孔性製氫材料包括親水性纖維載體，具有良好的親水性。此外，多孔性纖維載體中的孔隙可提供適當的空間讓水與製氫劑進行反應。另外，本發明之多孔性製氫材料具有足夠機械強度，其結構不易損壞。而且，本發明之多孔性製氫材料的製造方法具簡單製造的特性。
    為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
    圖1是本發明一實施例之多孔性製氫材料的製造方法的流程示意圖。請參考圖1，首先進行步驟S10，提供一纖維載體、一製氫劑以及一熱熔劑。其中，纖維載體、製氫劑與熱熔劑的重量比例例如為1.5：4：1.5。纖維載體包括多條彼此堆疊在一起的纖維，且纖維載體例如是一離子型纖維載體，特別的是，離子型纖維具有親水的特性。上述離子型纖維載體例如是一天然水溶性聚合物載體、一改質天然聚合物載體或是一合成聚合物載體。此外，上述製氫劑例如是NaBH4、NH3BH3、MgH2或C10H18。上述熱熔劑例如是聚乙烯(PE)、乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)、聚胺基甲酸酯(TPU)或聚氨酯(PET)，在此列出熱熔劑的化合物僅為舉例說明。一般來說，只要是低熔點的高分子化合物皆可使用，本發明不以此為限。
    接著，進行步驟S20，將上述的纖維載體、製氫劑以及熱熔劑均勻混合後形成一混合材料。
    最後，進行步驟S30，將上述的混合材料進行一熱處理程序以形成多孔性製氫材料100。詳細而言，圖2A至圖2D為步驟S30中熱處理程序的製造流程示意圖。請參考圖2A至圖2D，首先，將包括上述纖維載體120、製氫劑140以及熱熔劑160的混合材料X放置於一模具A中，如圖2A所示。接著，如圖2B所示進行一壓模程序P1以及如圖2C所示進行一加熱定型程序P2。最後，將模具A移除，即可完成多孔性製氫材料100的製作，如圖2D所示。具體而言，壓模程序P1可以將混合材料壓縮成一塊狀固體。接著，進行加熱定型程序P2時，熱熔劑160會隨著溫度升高而熔化成液體狀態，此時，液態的熱熔劑160會散佈在纖維122以及製氫劑140之間。然後，進行降溫的動作，液態的熱熔劑160就會固化，而把製氫劑140以及纖維122黏在一起。需說明的是，因為熱熔劑160於液體狀態時，不會填滿所有位於纖維122與製氫劑140之間的空間，因此固化後會形成具有空隙的形態。
    在此說明上述纖維載體120的製造方法，其包括下述的步驟。首先，製備一纖維溶液。接著，製備一含鈷凝固浴。最後，將纖維溶液放入一紡絲裝置中以進行一紡織程序，其中紡絲裝置將纖維溶液擠入至含鈷凝固浴中以機械抽絲方式形成長纖維。上述紡織製程例如為濕式紡織製程。
    具體來說，纖維溶液的濃度例如為2%至5%重量百分比。在此說明的是，纖維溶液中包括溶質以及溶劑，上述的濃度是指溶質於溶液中的重量百分比濃度。詳細而言，纖維溶液例如是離子型纖維溶液，且離子型纖維溶液例如是一天然水溶性聚合物溶液、一改質天然聚合物溶液或是一合成聚合物溶液。其中，上述天然水溶性聚合物溶液例如是纖維素溶液、澱粉溶液、殼聚糖甲殼素溶液或海藻酸鈉溶液。上述改質天然聚合物例如是改質澱粉溶液以及改質纖維素溶液，其中改質澱粉溶液例如是羧甲基澱粉溶液或醋酸澱粉溶液，而改質纖維素溶液例如是羥甲基纖維素溶液或羧甲基纖維素溶液。上述合成聚合物溶液例如是具有陰離子基團的聚合類樹脂或縮合類樹脂溶液，其中上述陰離子基團例如是羧酸基、礦酸基、磷酸基或硫酸基。另外，上述的含鈷凝固浴例如為氯化鈷凝固浴。含鈷凝固浴的濃度例如為5%至55%重量百分比(室溫下飽和濃度)。在此說明的是，含鈷凝固浴包括溶質以及溶劑，上述的濃度是指溶質於溶液中的重量百分比濃度。
    詳細的來說，當纖維溶液擠入至含鈷凝固浴時，含鈷凝固浴中的鈷離子會與纖維溶液中的纖維溶質產生離子鍵結，而使原本為水溶性的纖維溶質變成非水溶性的固化纖維。因此，鈷離子會以離子鍵鍵結至纖維的表面。
    至此，便完成多孔性製氫材料100的製作。亦即，只需進行步驟S10至步驟S30即可完成本發明之多孔性製氫材料100的製作，因此本發明之製氫材料100的製造方法具有簡單的製造流程。更值得一提的是，除了上述塊狀的形態之外，技術人員更可以依照其實際需求，更換不同形狀的模具，即可以得到不同形狀的多孔性製氫材料，因此，本發明之多孔性製氫材料100的製造方法適於實際應用。
    圖3是本發明一實施例之多孔性製氫材料100的結構示意圖。圖4是圖3中局部區域M的放大平面示意圖。請參照圖3以及圖4，本實施例之多孔性製氫材料100包括一纖維載體120、一製氫劑140以及一熱熔劑160。其中纖維載體120包括多條彼此堆疊在一起的纖維122，且纖維122之間具有多個孔隙124。換言之，當纖維122彼此堆疊時，纖維122彼此之間構成了孔隙，亦即形成一立體空間。纖維載體120例如是一離子型纖維載體。上述離子型纖維載體例如是一天然水溶性聚合物載體、一改質天然聚合物或是一合成聚合物載體。並且，纖維載體120具有良好的親水性質。
    製氫劑140分散於纖維載體120之纖維122上。詳言之，製氫劑140會散佈在纖維122之間的孔隙，亦即部分製氫劑140位於纖維122堆疊後所形成的立體空間中。
    熱熔劑160將纖維載體120之纖維122以及製氫劑140黏著在一起。詳細而言，熱熔劑160例如是低熔點高分子，藉由加熱定型程序可以讓纖維載體120與製氫劑140形成多孔性的塊狀固體。而且，此塊狀固體可以具有一定的強度。不易在產氫之後，產生結構崩解的問題。 實例
    為了詳細說明本發明之多孔性製氫材料，以下將介紹一實例的製造流程。首先，進行纖維載體的製作。表一為此實例於紡絲時之相關實驗條件。
    請參考表一，以濃度為2%重量百分比的海藻酸鈉溶液作為纖維溶液，將海藻酸鈉溶液放置在紡織裝置中並將其擠入至濃度為25%重量百分比的氯化鈷凝固浴中，此時水溶性的海藻酸鈉分子中的鈉離子會與凝固浴中的鈷離子交換形成離子鍵結，並形成固化的海藻酸鈷纖維，並完成纖維載體的製作。此海藻酸鈷纖維為非水溶性且具有親水性(吸水性)。更詳細來說，可在海藻酸鈷纖維形成後，再次將其含浸到凝固浴約12小時，以增加海藻酸鈷纖維的含鈷量。
    接著，以硼氫化鈉(NaBH4)為製氫劑，以高密度聚乙烯(HDPE)為熱熔劑。將海藻酸鈷纖維、硼氫化鈉以及高密度聚乙烯(HDPE)依照重量比例為1.5：4：1.5的比例混合成混合材料。再將此混合材料放於模具中進行壓模以及加熱定型程序。其中，使用模具加熱定型的溫度為150℃，時間為2小時，即可形成海藻酸鈷纖維之間具有多個孔隙的結構，且製氫劑分散於海藻酸鈷纖維上，並完成此實例之多孔性製氫材料。
    特別說明的是，本發明之多孔性製氫材料的使用方法為直接將水加入多孔性製氫材料中。由於多孔性製氫材料中具有由海藻酸鈷纖維所支撐形成的孔隙，硼氫化鈉附著於海藻酸鈷纖維之上，且海藻酸鈷纖維中的鈷離子可以作為觸媒。因此，當水進入孔隙中，孔隙便提供一個空間結構讓水與硼氫化鈉反應，且鈷離子有利於催化反應的進行而產生氫氣。此外，由於海藻酸鈷纖維的吸水/含水率非常的高，因此有利於將水分留在纖維載體上，以提升產氫效率。另外，高密度聚乙烯(HDPE)的使用可以提供多孔性製氫材料具有足夠的機械強度，因此，當氫氣產生並由孔隙中冒出之時，本發明之多孔性製氫材料不易產生結構崩解的情形。
    承上述，為詳細說明硼氫化鈉、海藻酸鈷纖維以及熱熔粉之含量比例對於多孔性製氫材料之影響，於表二中特舉具有不同含量比例之比較例1以及比較例2為例說明。
    請參考表二，比較例1以及比較例2之多孔性製氫材料中的熱熔粉含量較實例之多孔性製氫材料低。進行給水測試時，比較例1以及比較例2之多孔性製氫材料在氫氣產生之後，其結構因此而崩塌。而實例之多孔性製氫材料則維持完整的結構。由此可知，當海藻酸鈷纖維、硼氫化鈉以及熱熔粉的含量比例實質上為1.5：4：1.5時，多孔性製氫材料即可具有足夠的機械強度以維持製氫時的多孔性結構。
    更值得一提的是，當硼氫化鈉與水反應後，會與海藻酸鈷纖維中的鈷離子形成鈷硼觸媒，鈷硼觸媒可以進一步用來催化硼氫化鈉與水反應產生氫氣。換言之，當本發明之製氫劑使用含硼之化合物時，例如為硼氫化鈉(NaBH4)或硼氫化氨(NH3BH3)，則本發明之多孔性製氫材料可以是逐步性的催化反應，因而具有二段式的製氫反應，亦即長效性的製氫效能。此外，因為鈷硼觸媒形成後會附著於纖維之表面，且其不易隨著水分流失，因此可以提高產氫的效率。此外，因為本發明之多孔性製氫材料具有良好的機械強度，其在製氫之後結構不易損壞，因此鈷硼觸媒可以再次回收利用。
    當然，上述有關多孔性製氫材料詳細的合成流程以及各種材料之濃度以及用量，僅為讓此領域之技術人員能夠據以實施，並非用於限定本發明。
    綜上所述，本發明之多孔性製氫材料包括由親水性纖維組成的多孔性纖維載體，因而其具有良好的親水性並提供適當的空間讓水與製氫劑進行反應。此外，熱熔劑的使用可以讓多孔性製氫材料且有足夠的機械強度，其結構不易損壞。再者，附著於纖維表面上的鈷離子以及可能形成的鈷硼離子更可以提供二段式催化製氫效能。因此，本發明之多孔性製氫材料具有長效性催化製氫效能。此外本發明之多孔性製氫材料的製造方法相當的簡單且方便製作。
    雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
    S10、S20、S30．．．步驟
    100．．．多孔性製氫材料
    120．．．纖維載體
    122．．．纖維
    124．．．孔隙
    140．．．製氫劑
    160．．．熱熔劑
    X．．．混合材料
    P1．．．壓模程序
    P2．．．加熱定型程序
    M．．．區域
    圖1是本發明一實施例之多孔性製氫材料的製造方法的流程示意圖。
    圖2A至圖2D為熱處理程序的製造流程示意圖。
    圖3是本發明一實施例之多孔性製氫材料的結構示意圖。
    圖4是圖3中局部區域M的放大平面示意圖。
    100．．．多孔性製氫材料
    120．．．纖維載體
    122．．．纖維
    124．．．孔隙
    160．．．熱熔劑
    权利要求:
    Claims (19)
    [1] 一種多孔性製氫材料，包括：一纖維載體，該纖維載體包括多條彼此堆疊在一起的纖維，且該些纖維之間具有多個孔隙；一製氫劑，分散於該纖維載體之該些纖維上；以及一熱熔劑，其將該纖維載體之該些纖維以及該製氫劑黏著在一起。
    [2] 如申請專利範圍第1項所述之多孔性製氫材料，其中該纖維載體包括離子型纖維載體。
    [3] 如申請專利範圍第2項所述之多孔性製氫材料，其中該離子型纖維載體包括一天然水溶性聚合物載體、一改質天然聚合物載體或一合成聚合物載體。
    [4] 如申請專利範圍第1項所述之多孔性製氫材料，其中該製氫劑包括NaBH4、NH3BH3、MgH2或C10H18。
    [5] 如申請專利範圍第1項所述之多孔性製氫材料，其中該熱熔劑包括聚乙烯(PE)、乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)、聚胺基甲酸酯(TPU)或聚氨酯(PET)。
    [6] 如申請專利範圍第1項所述之多孔性製氫材料，其中該纖維載體、該製氫劑以及該熱熔劑的重量比例為1.5：4：1.5。
    [7] 一種多孔性製氫材料的製造方法，包括：提供一纖維載體、一製氫劑以及一熱熔劑；將該纖維載體、該製氫劑以及該熱熔劑均勻混合以形成一混合材料；以及將該混合材料進行一熱處理程序以形成多孔性製氫材料。
    [8] 如申請專利範圍第7項所述之多孔性製氫材料的製造方法，其中該纖維載體的製造方法包括：製備一纖維溶液；製備一含鈷凝固浴；以及將該纖維溶液放入一紡絲裝置中以進行一紡織程序，其中該紡織裝置將該纖維溶液擠入至該含鈷凝固浴中以機械抽絲方式形成長纖維。
    [9] 如申請專利範圍第8項所述之多孔性製氫材料的製造方法，其中該纖維溶液包括離子型纖維溶液。
    [10] 如申請專利範圍第9項所述之多孔性製氫材料的製造方法，其中該離子型纖維溶液包括一天然水溶性聚合物溶液、一改質天然聚合物溶液或是一合成聚合物溶液。
    [11] 如申請專利範圍第10項所述之多孔性製氫材料的製造方法，其中：該天然水溶性聚合物溶液包括纖維素溶液、澱粉溶液、殼聚糖甲殼素溶液或海藻酸鈉溶液，該改質天然聚合物溶液包括改質澱粉溶液以及改質纖維素溶液，其中該改質澱粉溶液包括羧甲基澱粉溶液或醋酸澱粉溶液，該改質纖維素溶液包括羥甲基纖維素溶液或羧甲基纖維素溶液，且該合成聚合物溶液包括具有陰離子基團的聚合類樹脂溶液或縮合類樹脂溶液，其中該陰離子基團包括羧酸基、磺酸基、磷酸基或硫酸基。
    [12] 如申請專利範圍第7項所述之多孔性製氫材料的製造方法，其中該纖維溶液的濃度為2%~5%重量百分比。
    [13] 如申請專利範圍第7項所述之多孔性製氫材料的製造方法，其中該含鈷凝固浴包括氯化鈷凝固浴。
    [14] 如申請專利範圍第7項所述之多孔性製氫材料的製造方法，其中該含鈷凝固浴的濃度為5%~55%重量百分比。
    [15] 如申請專利範圍第14項所述之多孔性製氫材料的製造方法，其中該含鈷凝固浴的濃度為10%至25%重量百分比。
    [16] 如申請專利範圍第7項所述之多孔性製氫材料的製造方法，其中該製氫劑包括NaBH4、NH3BH3、MgH2或C10H18。
    [17] 如申請專利範圍第7項所述之多孔性製氫材料的製造方法，其中該熱熔劑包括聚乙烯(PE)、乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)、聚胺基甲酸酯(TPU)或聚氨酯(PET)。
    [18] 如申請專利範圍第7項所述之多孔性製氫材料的製造方法，其中該熱處理程序包括：將該混合材料放置於一模具中；進行一壓模程序；以及進行一加熱定型程序。
    [19] 如申請專利範圍第7項所述之多孔性製氫材料的製造方法，其中該纖維載體、該製氫劑以及該熱熔劑的重量比例為1.5：4：1.5。
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    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    TW100146505A|TWI448421B|2011-12-15|2011-12-15|多孔性製氫材料及其製造方法|TW100146505A| TWI448421B|2011-12-15|2011-12-15|多孔性製氫材料及其製造方法|
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